CN116088046A - 一种时滞型极强岩爆发生后破坏区域综合监测及处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种时滞型极强岩爆发生后破坏区域综合监测及处理方法,涉及深埋硬岩隧道工程技术领域。本发明通过在时滞型极强岩爆破坏区域布置微震监测系统、开展地应力测试以及声波测试和钻孔摄像、围岩表面和内部爆破振动监测、并进行时滞型极强岩爆破坏区域扰动应力长期监测。本发明针对时滞型极强岩爆破坏发生后,提高监测的效率、破坏区域支护理念以及支护方法的安全性,建立更加合理有效的支护体系,保证后期的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及深埋硬岩隧道工程技术领域,尤其涉及一种时滞型极强岩爆发生后破坏区域综合监测及处理方法。
背景技术
交通隧道、水利水电、金属矿山不断向深部发展,不可避免地穿越大量深埋高地应力区域,造成岩爆灾害频发。其中,时滞型岩爆是指隧道开挖卸荷效应影响下,应力重新调整平衡后受到外界扰动作用发生的岩爆。
时滞型岩爆时间上一般滞后于掌子面开挖一定时间,空间上一般滞后于掌子面区域一定距离,一定程度上增加了岩爆灾害的预测难度,已经严重影响施工进度,威胁到现场人员和设备的安全。时滞型极强岩爆发生后,有可能再次发生,如何实现破坏区域综合监测及处理,成为工程界和学术界关注的焦点。目前时滞型极强岩爆破坏区域一般采用锚杆、钢筋网、复喷混凝土等支护体系。对于时滞型极强岩爆破坏区域监测系统并不完善,没有采取相应的支护处理方法,支护手段的选用没有可靠依据,具有一定的随机性和主观性,造成人员伤亡、设备损坏、工期延误。如何通过建立时滞型极强岩爆破坏区域监测系统,采取有效支护措施降低破坏区域后续时滞型岩爆灾害发生风险,提高隧道施工安全性,是隧道工程建设过程中有待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种时滞型极强岩爆发生后破坏区域综合监测及处理方法。针对时滞型极强岩爆破坏发生后,提高监测的效率、破坏区域支护理念以及支护方法的安全性,建立更加合理有效的支护体系,保证后期的安全性。
一种时滞型极强岩爆发生后破坏区域综合监测及处理方法,具体包括以下步骤:
步骤1:时滞型极强岩爆发生后,在时滞型极强岩爆破坏区域进行高压喷水,通过软化岩爆破坏区域表层围岩释放压力,等待岩爆现象消失,即岩爆破坏区域应力释放声响消失,不再有岩爆掉块出现以后,向破坏区域位置处喷5cm厚CF30高性能钢纤维混凝土;
步骤2:在发生时滞型极强岩爆破坏区域位置处架设I16钢拱架支护,为了确保钢架整体支护刚度,采用Φ42锁脚锚杆通过Φ25U型钢筋连接钢架,Φ42锁脚锚杆与I16钢拱架连接处、I16钢拱架与Φ25U型钢筋接触点、Φ25U型钢筋与Φ42锁脚锚杆连接处采用焊接,并保证Φ25U型钢筋与I16钢拱架接触点焊接长度不小于10cm;
步骤3:在距离时滞型极强岩爆破坏区域前后各50米、100米分别布置第一断面和第二断面的微震传感器,其中第一断面相对第二断面更接近于时滞型极强岩爆破坏区域,时滞型极强岩爆破坏区域前方第一断面和第二断面所布置的微震传感器接入一个微震监测系统,时滞型极强岩爆破坏区域后方第一断面和第二断面所布置的微震传感器接入另一个微震监测系统;
所述微震监测系统包括前置放大器、信号采集处理系统以及记录和显示系统,所述前置放大器接收微震传感器的检测信号,传入信号采集处理系统,并在记录和显示系统上进行显示以及存储,通过布置的微震传感器,获取岩体发生微破裂时发出的地震波信息,通过信号采集系统处理后确定微震事件发生的大小、位置、时间、数量以及能量释放信息;
步骤4:根据微震监测系统接收微震传感器获取的微震事件数据,通过对微震事件定位获取发生时滞型极强岩爆破坏区域的微震事件空间分布特征以及微震事件在时滞型极强岩爆破坏区域的聚集情况;
步骤5:若发生时滞型极强岩爆破坏区域的微震事件较多并且集中,微震活动性强,则破坏区域后续仍存在潜在岩爆风险,时滞型极强岩爆破坏区域初喷CF30高性能钢纤维混凝土后,系统锚杆支护替换为吸能锚杆支护,吸能锚杆的行间距和列间距应为1-1.5m,长度应大于爆坑区域最大深度,直径25mm,钢筋网支护替换为吸能钢筋网支护,消能防护网网眼间距25cm×25cm,网片搭接长度不少于1个网格,并紧贴初喷混凝土层布置;
若发生时滞型极强岩爆破坏区域的微震事件较少并且分散,微震活动性弱,则采用常规支护,即采用系统锚杆支护和钢筋网支护并进行时滞型极强岩爆最大破坏位置1.5倍洞径钻孔;
步骤6:在时滞型极强岩爆破坏区域复喷15cm厚CF30高性能钢纤维混凝土;
步骤7:采用应力解除法在时滞型极强岩爆最大破坏区域1.5倍洞径钻孔位置进行三维地应力测量;若时滞型极强岩爆破坏区域属于高地应力区域,即岩石单轴饱和抗压强度与垂直洞轴线方向的最大初始地应力比值大于7,则在发生时滞型极强岩爆破坏区域的隧道拱脚、边墙、拱肩、拱顶处布置应力释放孔,应力释放孔的行间距和列间距为1-1.5m,长度大于爆坑区域最大深度,直径50mm。若时滞型极强岩爆破坏区域属于一般地应力区域,即岩石单轴饱和抗压强度与垂直洞轴线方向的最大初始地应力比值小于等于7,则不需要布置应力释放孔;
步骤8:在地应力测试钻孔位置处进行声波测试和钻孔摄像,识别并测量时滞型极强岩爆破坏区域地质特征,检查并记录时滞型极强岩爆破坏区域钻孔内部岩体完整性以及裂隙发育情况;若时滞型极强岩爆破坏区域内部岩体裂隙发育,即结构面组数大于等于3组,平均间距小于1.0m,则在时滞型极强岩爆破坏面新增两排超前注浆小导管支护,超前注浆小导管间距为0.5-1m,长度大于爆坑区域最大深度,直径42mm,若时滞型极强岩爆破坏区域内部岩体裂隙不发育,即结构面组数小于等于2组,平均间距大于1.0m,则不需要布置超前注浆小导管支护;
步骤9:在时滞型极强岩爆破坏区域开展围岩表面和内部的爆破振动监测,通过在时滞型极强岩爆破坏区域由洞壁向围岩内部设置若干个钻孔,分别在每个钻孔不同径向深度区域固定三轴振动传感器,采集并储存每个三轴振动传感器测得的其所在位置处的爆破振动速度和加速度。当时滞型极强岩爆破坏区域爆破振动速度大于25cm/s时,分析爆破参数,减少每段炸药量,避免振动叠加。当时滞型极强岩爆破坏区域振动速度小于等于25cm/s时,则不需要调整爆破参数;
步骤10:架设钢拱架过程中时滞型极强岩爆的爆坑超挖部分使用CF30高性能钢纤维混凝土回填密实,随后喷射混凝土直到喷层完全包裹钢架且表面平整,确保钢架稳定性;
步骤11:在时滞型极强岩爆破坏区域测试洞壁岩体扰动应力,选择3个不同方向的测量点,测得时滞型极强岩爆破坏区域3个不同方向的测量点P1、P2、P3所在应变片方向的应变变化量εz、εθ、ε45°,测定测量点区域岩石的泊松比和弹性模量,利用弹性力学胡克定律计算P1、P2、P3测量点的扰动应力分量σθ、σz、τzθ,若出现应力异常集中现象,及时采取措施钻孔超前卸压、控制爆破并加强支护,避免岩爆再次发生;
所述扰动应力分量σθ、σz、τzθ公式如下:
式中,εz、εθ、ε45°为现场测得应变片方向的应力解除前后的应变差值,σθ、σz、τzθ为隧道开挖后的扰动应力分量,E为弹性模量,μ为泊松比。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于:
本发明提供一种时滞型极强岩爆发生后破坏区域综合监测及处理方法,通过对岩爆破坏区域开展微震监测、应力测试、钻孔摄像和声波测试、围岩表面和内部破裂振动监测以及扰动应力监测,根据监测结论提供相应防治方法。通过初喷5cm厚CF30高性能钢纤维混凝土、I16钢拱架支护、吸能锚杆和吸能钢筋网、复喷15cm厚CF30高性能钢纤维混凝土、应力释放孔、超前注浆小导管、控制爆破避免振动叠加等方法对时滞型极强岩爆破坏区域进行针对性处理,确保岩爆发生后的风险区域后续安全,减小时滞型岩爆灾害造成的破坏和损失。本发明技术方案通过对岩爆破坏区域进行针对性监测和相对应支护,有效解决时滞型岩爆后续破坏,降低岩爆造成的损失,保障施工安全。
附图说明
图1为本发明实施例中时滞型极强岩爆破坏区域综合监测流程图;
图2为本发明实施例中时滞型极强岩爆破坏区域支护系统流程图;
图3为本发明实施例中时滞型极强岩爆破坏区域钢拱架连接示意图;
图4为本发明实施例中时微震监测系统结构示意图;
图5为本发明实施例中时滞型极强岩爆破坏区域综合监测平面示意图;
图6为本发明实施例中时滞型极强岩爆破坏区域综合监测剖面示意图;
图7为本发明实施例中时滞型极强岩爆破坏区域支护系统剖面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不能用来限制本发明的范围。
一种时滞型极强岩爆发生后破坏区域综合监测及处理方法,图1为本实施方式时滞型极强岩爆发生后破坏区域综合监测系统的具体流程示意图。根据时滞型极强岩爆发生后破坏区域综合监测结论,采取相应的支护措施如图2所示。具体包括以下步骤:
步骤1:时滞型极强岩爆发生后,在时滞型极强岩爆破坏区域进行高压喷水,通过软化岩爆破坏区域表层围岩释放压力,等待岩爆现象消失,即岩爆破坏区域应力释放声响消失,不再有岩爆掉块出现以后,向破坏区域位置处喷5cm厚CF30高性能钢纤维混凝土;
步骤2:在发生时滞型极强岩爆破坏区域位置处架设I16钢拱架支护,为了确保钢架整体支护刚度,采用Φ42锁脚锚杆通过Φ25U型钢筋连接钢架,Φ42锁脚锚杆与I16钢拱架连接处、I16钢拱架与Φ25U型钢筋接触点、Φ25U型钢筋与Φ42锁脚锚杆连接处采用焊接,并保证Φ25U型钢筋与I16钢拱架接触点焊接长度不小于10cm;同时要求钢拱架与初喷混凝土紧密接触,钢拱架与锁脚锚杆和U型钢筋的具体连接方式如图3所示;
步骤3:在距离时滞型极强岩爆破坏区域前后各50米、100米分别布置第一断面和第二断面的微震传感器,其中第一断面相对第二断面更接近于时滞型极强岩爆破坏区域,时滞型极强岩爆破坏区域前方第一断面和第二断面所布置的微震传感器接入一个微震监测系统,时滞型极强岩爆破坏区域后方第一断面和第二断面所布置的微震传感器接入另一个微震监测系统;
所述微震监测系统如图4所示,包括前置放大器、信号采集处理系统以及记录和显示系统,所述前置放大器接收微震传感器的检测信号,传入信号采集处理系统,并在记录和显示系统上进行显示以及存储,通过布置的微震传感器,获取岩体发生微破裂时发出的地震波信息,通过信号采集系统处理后确定微震事件发生的大小、位置、时间、数量以及能量释放信息;
步骤4:根据微震监测系统接收微震传感器获取的微震事件数据,通过对微震事件定位获取发生时滞型极强岩爆破坏区域的微震事件空间分布特征以及微震事件在时滞型极强岩爆破坏区域的聚集情况;
步骤5:若发生时滞型极强岩爆破坏区域的微震事件较多并且集中,微震活动性强,则破坏区域后续仍存在潜在岩爆风险,时滞型极强岩爆破坏区域初喷CF30高性能钢纤维混凝土后,系统锚杆支护替换为吸能锚杆支护,吸能锚杆的行间距和列间距应为1-1.5m,长度应大于爆坑区域最大深度,直径25mm,钢筋网支护替换为吸能钢筋网支护,消能防护网网眼间距25cm×25cm,网片搭接长度不少于1个网格,并紧贴初喷混凝土层布置;
若发生时滞型极强岩爆破坏区域的微震事件较少并且分散,微震活动性弱,则采用常规支护,即采用系统锚杆支护和钢筋网支护并进行时滞型极强岩爆最大破坏位置1.5倍洞径钻孔;
步骤6:在时滞型极强岩爆破坏区域复喷15cm厚CF30高性能钢纤维混凝土;
步骤7:采用应力解除法在时滞型极强岩爆最大破坏区域1.5倍洞径钻孔位置进行三维地应力测量;若时滞型极强岩爆破坏区域属于高地应力区域,即岩石单轴饱和抗压强度与垂直洞轴线方向的最大初始地应力比值大于7,硬质岩开挖过程中出现岩爆,洞壁岩体有剥离掉块现象,新生裂缝多,成洞性差,软质岩的岩芯有饼化现象,开挖过程中洞壁岩体发生位移,持续时间长,成洞性差,则在发生时滞型极强岩爆破坏区域的隧道拱脚、边墙、拱肩、拱顶处布置应力释放孔,应力释放孔的行间距和列间距为1-1.5m,长度大于爆坑区域最大深度,直径50mm。若时滞型极强岩爆破坏区域属于一般地应力区域,即岩石单轴饱和抗压强度与垂直洞轴线方向的最大初始地应力比值小于等于7,则不需要布置应力释放孔,如图5、图6所示;
步骤8:在地应力测试钻孔位置处进行声波测试和钻孔摄像,识别并测量时滞型极强岩爆破坏区域地质特征,检查并记录时滞型极强岩爆破坏区域钻孔内部岩体完整性以及裂隙发育情况;若时滞型极强岩爆破坏区域内部岩体裂隙发育,即结构面组数大于等于3组,平均间距小于1.0m,则在时滞型极强岩爆破坏面新增两排超前注浆小导管支护,超前注浆小导管间距为0.5-1m,长度大于爆坑区域最大深度,直径42mm,第一排小导管作用是止水阻浆,第二排小导管作用是注浆固结破坏面附近围岩。若时滞型极强岩爆破坏区域内部岩体裂隙不发育,即结构面组数小于等于2组,平均间距大于1.0m,则不需要布置超前注浆小导管支护;
步骤9:在时滞型极强岩爆破坏区域开展围岩表面和内部的爆破振动监测,通过在时滞型极强岩爆破坏区域由洞壁向围岩内部设置若干个钻孔,分别在每个钻孔不同径向深度区域固定三轴振动传感器,采集并储存每个三轴振动传感器测得的其所在位置处的爆破振动速度和加速度。当时滞型极强岩爆破坏区域爆破振动速度大于25cm/s时,分析爆破参数,减少每段炸药量,避免振动叠加。当时滞型极强岩爆破坏区域振动速度小于等于25cm/s时,则不需要调整爆破参数;
步骤10:架设钢拱架过程中时滞型极强岩爆的爆坑超挖部分使用CF30高性能钢纤维混凝土回填密实,随后喷射混凝土直到喷层完全包裹钢架且表面平整,确保钢架稳定性,如图7所示;
步骤11:在时滞型极强岩爆破坏区域测试洞壁岩体扰动应力,选择3个不同方向的测量点,测得时滞型极强岩爆破坏区域3个不同方向的测量点P1、P2、P3所在应变片方向的应变变化量εz、εθ、ε45°,测定测量点区域岩石的泊松比和弹性模量,利用弹性力学胡克定律计算P1、P2、P3测量点的扰动应力分量σθ、σz、τzθ,若出现应力异常集中现象,及时采取措施钻孔超前卸压、控制爆破并加强支护,避免岩爆再次发生;
所述扰动应力分量σθ、σz、τzθ公式如下:
式中,εz、εθ、ε45°为现场测得应变片方向的应力解除前后的应变差值,σθ、σz、τzθ为隧道开挖后的扰动应力分量,E为弹性模量,μ为泊松比。
以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解,本公开的实施例中所涉及的发明范围,并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案,同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下,由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (8)
1.一种时滞型极强岩爆发生后破坏区域综合监测及处理方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:时滞型极强岩爆发生后,在时滞型极强岩爆破坏区域进行高压喷水,通过软化岩爆破坏区域表层围岩释放压力,等待岩爆现象消失,即岩爆破坏区域应力释放声响消失,不再有岩爆掉块出现以后,向破坏区域位置处喷5cm厚CF30高性能钢纤维混凝土;
步骤2:在发生时滞型极强岩爆破坏区域位置处架设I16钢拱架支护,为了确保钢架整体支护刚度,采用Φ42锁脚锚杆通过Φ25U型钢筋连接钢架,Φ42锁脚锚杆与I16钢拱架连接处、I16钢拱架与Φ25U型钢筋接触点、Φ25U型钢筋与Φ42锁脚锚杆连接处采用焊接,并保证Φ25U型钢筋与I16钢拱架接触点焊接长度不小于10cm;
步骤3:在距离时滞型极强岩爆破坏区域前后各50米、100米分别布置第一断面和第二断面的微震传感器,时滞型极强岩爆破坏区域前方第一断面和第二断面所布置的微震传感器接入一个微震监测系统,时滞型极强岩爆破坏区域后方第一断面和第二断面所布置的微震传感器接入另一个微震监测系统;
步骤4:根据微震监测系统接收微震传感器获取的微震事件数据,通过对微震事件定位获取发生时滞型极强岩爆破坏区域的微震事件空间分布特征以及微震事件在时滞型极强岩爆破坏区域的聚集情况;
步骤5:若发生时滞型极强岩爆破坏区域的微震事件多并且集中,微震活动性强,则破坏区域后续仍存在潜在岩爆风险,时滞型极强岩爆破坏区域初喷CF30高性能钢纤维混凝土后,系统锚杆支护替换为吸能锚杆支护,钢筋网支护替换为吸能钢筋网支护;
若发生时滞型极强岩爆破坏区域的微震事件少并且分散,微震活动性弱,则采用常规支护;
步骤6:在时滞型极强岩爆破坏区域复喷15cm厚CF30高性能钢纤维混凝土;
步骤7:采用应力解除法在时滞型极强岩爆最大破坏区域1.5倍洞径钻孔位置进行三维地应力测量;
步骤8:在地应力测试钻孔位置处进行声波测试和钻孔摄像,识别并测量时滞型极强岩爆破坏区域地质特征,检查并记录时滞型极强岩爆破坏区域钻孔内部岩体完整性以及裂隙发育情况;
步骤9:在时滞型极强岩爆破坏区域开展围岩表面和内部的爆破振动监测,通过在时滞型极强岩爆破坏区域由洞壁向围岩内部设置若干个钻孔,分别在每个钻孔不同径向深度区域固定三轴振动传感器,采集并储存每个三轴振动传感器测得的其所在位置处的爆破振动速度和加速度;当时滞型极强岩爆破坏区域爆破振动速度大于25cm/s时,分析爆破参数,减少每段炸药量,避免振动叠加;当时滞型极强岩爆破坏区域振动速度小于等于25cm/s时,则不需要调整爆破参数;
步骤10:架设钢拱架过程中时滞型极强岩爆的爆坑超挖部分使用CF30高性能钢纤维混凝土回填密实,随后喷射混凝土直到喷层完全包裹钢架且表面平整,确保钢架稳定性;
步骤11:在时滞型极强岩爆破坏区域测试洞壁岩体扰动应力,选择3个不同方向的测量点,测得时滞型极强岩爆破坏区域3个不同方向的测量点P1、P2、P3所在应变片方向的应变差值εz、εθ、ε45°,测定测量点区域岩石的泊松比和弹性模量,利用弹性力学胡克定律计算P1、P2、P3测量点的扰动应力分量σθ、σz、τzθ,若出现应力异常集中现象,及时采取措施钻孔超前卸压、控制爆破并加强支护,避免岩爆再次发生。
2.根据权利要求1所述的一种时滞型极强岩爆发生后破坏区域综合监测及处理方法,其特征在于,步骤3中所述第一断面相对第二断面更接近于时滞型极强岩爆破坏区域。
3.根据权利要求1所述的一种时滞型极强岩爆发生后破坏区域综合监测及处理方法,其特征在于,步骤3中所述微震监测系统包括前置放大器、信号采集处理系统以及记录和显示系统,所述前置放大器接收微震传感器的检测信号,传入信号采集处理系统,并在记录和显示系统上进行显示以及存储,通过布置的微震传感器,获取岩体发生微破裂时发出的地震波信息,通过信号采集系统处理后确定微震事件发生的大小、位置、时间、数量以及能量释放信息。
4.根据权利要求1所述的一种时滞型极强岩爆发生后破坏区域综合监测及处理方法,其特征在于,步骤5中所述吸能锚杆支护中,吸能锚杆的行间距和列间距为1-1.5m,长度大于爆坑区域最大深度,直径25mm;所述吸能钢筋网支护中,消能防护网网眼间距25cm×25cm,网片搭接长度不少于1个网格,并紧贴初喷混凝土层布置。
5.根据权利要求1所述的一种时滞型极强岩爆发生后破坏区域综合监测及处理方法,其特征在于,步骤5中所述常规支护,即采用系统锚杆支护和钢筋网支护并进行时滞型极强岩爆最大破坏位置1.5倍洞径钻孔。
6.根据权利要求1所述的一种时滞型极强岩爆发生后破坏区域综合监测及处理方法,其特征在于,步骤7中所述三维地应力测量,具体为:若时滞型极强岩爆破坏区域属于高地应力区域,即岩石单轴饱和抗压强度与垂直洞轴线方向的最大初始地应力比值大于7,则在发生时滞型极强岩爆破坏区域的隧道拱脚、边墙、拱肩、拱顶处布置应力释放孔,应力释放孔的行间距和列间距为1-1.5m,长度大于爆坑区域最大深度,直径50mm;若时滞型极强岩爆破坏区域属于一般地应力区域,即岩石单轴饱和抗压强度与垂直洞轴线方向的最大初始地应力比值小于等于7,则不需要布置应力释放孔。
7.根据权利要求1所述的一种时滞型极强岩爆发生后破坏区域综合监测及处理方法,其特征在于,步骤8中所述检查并记录时滞型极强岩爆破坏区域钻孔内部岩体完整性以及裂隙发育情况,具体为:若时滞型极强岩爆破坏区域内部岩体裂隙发育,即结构面组数大于等于3组,平均间距小于1.0m,则在时滞型极强岩爆破坏面新增两排超前注浆小导管支护,超前注浆小导管间距为0.5-1m,长度大于爆坑区域最大深度,直径42mm,若时滞型极强岩爆破坏区域内部岩体裂隙不发育,即结构面组数小于等于2组,平均间距大于1.0m,则不需要布置超前注浆小导管支护。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN116947380A (zh) * | 2023-06-16 | 2023-10-27 | 山东科技大学 | 一种用于防控时滞型岩爆的吸波材料及其制备方法与应用 |
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